Утром солнышко взойдет –
Кто может средство отыскать,
Чтоб задержать его восход,
Остановить его закат?
Н. Рубцов
Урок 1/18
презентация
Тема: Общие сведения о Солнце.
Цель: Рассмотреть общие сведения о Солнце и его наблюдении. Рассмотреть законы Стефана-Больцмана и Вина, в применении к звездам на примере Солнца.
Задачи:
1. Обучающая: Ввести понятия: спектр Солнца (непрерывный спектр со множеством фраунгоферовых линий), химический состав Солнца, Солнце как раскаленный плазменный шар, вращение Солнца, солнечная постоянная, светимость, размер и масса, применимость законов Стефана-Больцмана и Вина к звездам на примере Солнца, его физические характеристики, их сравнение с другими звездами. Заинтересовать учащихся наблюдениями Солнца (на экране, укрепленном на школьном телескопе) и предупредить о недопустимости непосредственного наблюдения Солнца в телескоп или бинокль..
2. Воспитывающая: Отметить несостоятельность предрассудков и суеверий, связанных с появлением солнечных пятен, что Солнце, издавна считавшееся самым могущественным божеством, представляет собой небесное тело (звезду), природа которого качественно отличается от природы других тел Солнечной системы.
3. Развивающая: Выделить главное в теме урока: в отличие от планет и их спутников, астероидов и комет Солнце представляет собой самосветящееся небесное тело, излучающее свет и тепло (их источник – физические процессы, происходящие в недрах Солнца). Поставив ряд вопросов, касающихся природы Солнца и получивших научное объяснение в относительно недалеком прошлом (размеры и масса Солнца, химический состав и температура, источники энергии и др.), заинтересовать учащихся соответствующими проблемными ситуациями. В астрономическом кружке (если есть) организовать систематические наблюдения (зарисовку пятен на экране с последующим подсчетом относительных чисел пятен и построением графиков.
Знать:
I-й уровень (стандарт) -
II-й уровень - что собой представляет Солнце, его физические характеристики, их сравнение с другими звездами, формулы светимости и законов Стефана-Больцмана и Вина, постоянные.
Уметь:
1-й уровень (стандарт)- производить простые расчеты с использованием формул законов Стефана-Больцмана и Вина, светимости, определения размеров.
II-й уровень - производить расчеты по всем формулам, изученным на уроке: законам Стефана-Больцмана и Вина, светимости, определения размеров. Выводить при решении формулы в общем виде.
Оборудование: плакат «Солнце», видеофильм «Астрономия» часть 2 фр.4 «Свет Солнца», таблица - приложения. CD- "Red Shift 5.1" Лекции- "Солнце", Рассказы о Вселенной - "Солнце". Фотографии и иллюстрации астрономических объектов из мультимедийного диска «Мультимедиа библиотека по астрономии», графика из ЦОР (ниже). что собой представляет Солнце, его физические характеристики, формулы светимости и законов Стефана-Больцмана и Вина.
Межпредметные связи: природоведение и физическая география (элементарные представления о Солнце как источнике света и тепла на Земле), физика (спектральный анализ, понятие о плазме), химия (элементы периодической системы Менделеева – водород и гелий), математика (вычисления, необходимые для решения задач), обществоведение (взаимосвязь явлений природы).
Ход урока:
I Повторение материала
Тест №3
II Новый материал
1. Введение
а) Солнце - колоссальный источник энергии. Играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир Земли (растительность, жизнь) обязаны Солнцу. Солнце не только источник тепла и света, но и первоначальный источник других видов энергии (нефти, угля, воды, ветра и т.д.). Ученые работают над практическим применением неиссякаемой энергии.
б) Солнце - издавна объект поклонения. Самое могущественное божество, культ непобедимости. Гелиос-бог древних греков, Ярило - бог у славян и т.д. Солнцу воздвигали храмы, слагали гимны, приносили жертвы.
в) Солнце - рядовая звезда (возраст 4,8 млрд. лет, сформировалось примерно 4,59 миллиарда лет назад)-желтый карлик, управляет движением всех тел Солнечной системы. Изучая Солнце - мы сумеем узнать многое о явлениях и процессах, происходящих на других звездах, недоступных наблюдению из-за огромной удаленности.
2. Наблюдение за Солнцем – нельзя смотреть без защиты глаз темным светофильтром (закопченное стекло, засвеченная пленка, а лучше затмение наблюдать через стекло масти электросварки).
Нельзя наблюдать через телескоп даже со светофильтром - на окулярном конце ставят белый лист, в обсерваториях наблюдения ведут с помощью специальных солнечных телескопов (Крымской астрофизической обсерватории, Шемахинской астрофизической обсерватории, (Азербайджан), Пулковской обсерватории и других).
Что можно увидеть: пятна, факелы возле пятен на краю диска, протуберанцы, вспышки и так далее.
3. Вращение. Если сравнивать несколько последовательных фотографий Солнца (или наблюдений) то по пятнам можно определить что Солнце вращается. Точный период вращения установил астроном Ричард Кристофер КЭРРИНГТОН (1826-1875, Англия) в 1863г →экватор 24,96 сут, на широте 35о - 26,83 сут, вблизи полюсов ≈30 сут, т.е. Солнце не твердое тело. Линейная скорость на экваторе ≈2 км /с.
Направление вращения - вокруг своей оси в направлении движения планет. = Открыл вращение в декабре 1610г Г.Галилей в ходе первых телескопических наблюдений. А где еще встречается такое вращение, как у Солнца? (планет гигантов)
4. Размер (Пример N7, стр51)
| ρ ?=16' |
R?= ρ ?/p ?. R⊕ =(16.60"/8,8").R⊕≈109 R⊕ |
Звезды бывают от 0,1R?< R?<1000 R? Солнце относится к маленьким звездам - Карликам.
|
| p?=8,8" |
R?≈695000км=109 R⊕ |
| R?=? |
|
5. Масса - находим по третьему уточненному закону Кеплера (Солнце-Земля, Земля-Луна).
| Т⊕2 .(M?+ m⊕) |
= |
а⊕3 |
отсюда |
Т⊕2. M? |
= |
а⊕3 |
Т.к |
{ |
M⊕<< M?
m?<< M ⊕ |
| Т?2. (M⊕+m?) |
а?3 |
Т?2. M⊕ |
а?3 |
| Отсюда |
M? |
= |
а⊕3.Т ?2 |
= |
149,63. 27,322 |
≈ 2.1030 кг ≈333000 M⊕ |
У других звезд обычно 0,06M?<M?<100M? |
| M⊕ |
а?3. Т⊕2 |
0,38443.365,252 |
| Найдем плотность |
ρcр?= |
M? |
= |
m? |
≈1400 кг/м3, т.е. чуть больше плотности Н2О. Сравните с плотностью Земли (5515 кг/м3), Юпитера (1326 кг/м3). |
| V? |
4/3π R?3 |
6. Светимость (L)
В ходе измерений на Земле и с КА в течении нескольких лет установлено количество получаемого Землей тепла от Солнца и получено значение солнечной постоянной. Солнечная постоянная
q=1367 Вт/м2=1367 Дж/м2.с ≈1400 Вт/м2
(получаемая энергия суммарно всех видов излучения: видимого, инфракрасного и ультрафиолетового и т.д., хотя общая светимость Солнца изменяется на 0.1% или на 1.3 Вт/м² в пределах 11-летних циклов активности, что было определено в ходе наблюдений последних трех циклов солнечной активности из космоса).
Тогда на радиусе орбиты Земли (учитывая полностью всю сферу орбиты Земли), можно установить количество энергии, излучаемой Солнцем (т.е. светимость).
L?=q?. Sсферы шара =q?. 4 π Rорб⊕2 =1367.4.3,1415.(149,6.109)2=3,876.1026 Вт/c.
По сравнению с другими звездами 1,3.10-5L ?<L? <5.105L?
7. Температура (T) -определяют разными способами, основанными на открытых на Земле физических законах.
1. Способ: Из светимости Солнца выясним энергию, излучаемую единицей поверхности Солнца в единицу времени.
| ε= |
L? |
= |
L? |
с другой стороны ε=δТ4 Закон Степана-Больцмана |
δ=5,67*10-8Вт/(м2.К4) - коэффициент пропорциональности |
| S? |
4 π R?2 |
| тогда |
δТ4= |
L? |
отсюда |
Т=4√ |
L? |
≈6000 К - эффективная температура Солнца [вообще-то ≈ 5800 К] |
| 4 π R?2 |
4 π R?2 δ |
Закон установлен экспериментально Йозев Стефан ( 1879г, Австрия) и доказал теоретически Людвиг Больцман ( 1884г, Австрия). В данном случае Солнце считается абсолютно черным телом , т.е. идеальный накопитель излучения и излучатель (реально только≈).
2. Способ: Экспериментально определяют λmax соответствующую максиму излучаемой энергии.
Закон излучения открыл в 1896г Вильгельм Вин (1864-1928, Германия).
| λ max.Т=b, где b=0,2897*107Å.К - постоянная Вина |
Чем выше Т тем меньше λ max (рис 71) |
| Для Солнца λ max =4800Å 1Å=10-10 М |
это желтая линия , поэтому и Солнце желтое (т.к max излучения приходится на желтые лучи). Если брать λ в см, то получим формулу
| λ max= |
0,29 |
отсюда Т?= |
0,29 |
≈6000К |
Температуры звезд обычно 2800К<Т?<40000К |
| Т |
4,8.10-5см |
Итог: Как определить вращается ли Солнце?
Каков размер, масса, температура Солнца?
Закон Вина, Стефана-Больцмана?
Из чего состоят звезды?
Это на поверхности , а глубже температура больше. В таком состоянии вещество находится в газообразном состоянии, причем многие атомы ионизированы, т. е Солнце- раскаленный газовый (плазменный) шар.
8. Химический состав Когда-то считали что никогда не узнают из чего состоят звезды.
Еще И.Ньютон (1643-1727,Англия) в 1665г открыл дисперсию (разложил свет в спектр).
= В 1814г Йозеф Фраунгофер (1787-1826, Германия)- один из основателей спектроскопии открыл в спектре Солнца и зарисовал 580 темных линий, определил и описал длины волн 754 линий поглощения к 1817г (т.е спектр Солнца- непрерывный спектр пересечений темными линиями- фраунгоферовыми. В настоящее время в спектре зарегистрировано более 30000 линий, принадлежащих 72 химическим элементам).
= В 1859г Густав Кирхгоф (1824-1887, Германия) и Роберт Бунзен (1811-1899, Германия) открыли спектральный анализ (Кирхгоф создал модель абсолютно черного тела) «Газы поглощают те длины волн, которые излучают в нагретом состоянии»
По спектру обнаружено 72 химических элементов на Солнце, никаких неземных нет . Самые распространенные на Солнце элементы – 73,46 % водорода, и 24,85 % - гелия (“солнечный газ” –открыт сперва на Солнце в 1868г Джозеф Локьер), а на Земле гелий обнаружен лишь в 1895г.
Все звезды в основном состоят из Н и Не (это основные химические элементы Вселенной).
В настоящее время известны несколько «двойников» Солнца, которые являются практически полными аналогами нашей звезды по массе, светимости, температуре (±50 К), металличности (±12 %), возрасту (±1 млрд лет) и т. дАналоги Солнца
III. Закрепление материала (самостоятельное решение, при необходимости совместный разбор).
Задача 1. №5*, стр. 109. За 27 суток, против 25 сут. (т.е на 2 больше). Это потому, что за данное время и Земля сместится в направлении вращения Солнца , а смещение если рассчитать в градусах (оборота).
.gif) |
3600: 25сут =14,40/сутки –вращение Солнца, 28,80 за двое
3600/365дней≈10/сутки .25≈250 за 25 суток смещение Земли,
т.е надо еще около двух суток, чтобы догнать Землю. |
Задача 2. Под каким углом на Солнце с Земли можно видеть пятно размером с Землю. Будет ли пятно видно невооруженным глазом.
(Большие пятна можно наблюдать невооруженным глазом когда Солнце близко к горизонту и находится в дымке. Так в марте 1989г наблюдалось пятно невооруженным глазом. В летописях китайских есть записи о пятнах за 800 лет до н.э).
| D= |
206265″.(2.R⊕) |
отсюда ρ″= |
206265″.2.6378км |
=17,6 ″ |
(угловой ø Солнца с Земли 32 ′ 31″) |
| ρ |
149600000 км |
Невооруженным глазом пятно не увидите, так как разрешаемость глаза не менее 1′ =60″.
Задача 3. Как изменится светимость Солнца, если при той же температуре размер Солнца увеличится в 2 раза?
| L=δ.T4.4πR2 |
T1=T2 |
тогда |
L2 |
= |
δT24.4πR22 |
= ( |
2R1 |
)2 = 4 |
| R2 = 2.R1 |
L1 |
δT14.4πR12 |
R1 |
Задача 4. Какую температуру имеет раскаленная вольфрамовая нить электролампочки, если максимум энергии приходится на λ=1,1.10-5см.
| Закон Вина |
|
Т= |
0,29 |
= |
0,29 |
=2636К |
| λ max |
1,1*10-5 |
Задача 5. Вычислите температуру, которое имело бы Солнце, если бы его светимость была в 16 раз меньше при тех же размерах.
(Решение аналогично Задаче 3, T?=3000K)
- CD- "Red Shift 5.1" - дать характеристики Солнцу в данный момент времени
Оценки
Дома:sect; 18, вопросы стр. 108-109 Третье дневное астрономическое наблюдение (наблюдение Солнца в телескоп)
Урок оформили члены кружка “Интернет технологии”, 2002г: Позняк Виктор (10кл) и Березуцкая Аня (11кл).
| Космические исследования Солнца |
| Период работы |
Спутник |
Комментарии, открытия |
| 1957г |
Спутник-2 |
Наблюдения проводились в нескольких спектральных диапазонах от 1 до 120 Å, выделяемых при помощи органических и металлических фильтров. |
| 1965 - 1983 |
Пионер 5—9 |
Эти спутники обращались вокруг Солнца вблизи орбиты Земли и выполнили первые детальные измерения параметров солнечного ветра. Пионер 5-8 и сейчас в рабочем состоянии. |
| 1962- 1975 |
OSO |
Орбитальная солнечная обсерватория ("OSO") - серия американских спутников, запущенных в период 1962- 1975гг с целью изучений Солнца, в частности, в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах волн. |
| 1974-??? |
Гелиос-I -II (анг. Helios) |
Они находились на гелиоцентрической орбите, перигелий которой лежал внутри орбиты Меркурия, примерно в 40 миллионах километров от Солнца. Эти аппараты помогли получить новые данные о солнечном ветре и открыли, что пространственная плотность мелких метеоритов вблизи Солнца в пятнадцать раз выше, чем около Земли. 17.04.1976г "Helios-2"впервые приблизилась к Солнцу на расстояние 0,29 а.е (43,432 млн.км). Зарегистрированы, в частности, магнитные ударные волны в диапазоне 100 - 2200 Гц, а также появление при солнечных вспышках ядер легкого гелия, что указывает на высокоэнергетические термоядерные процессы в хромосфере Солнца. Впервые достигнут рекордной скорости в 66,7км/с, двигаясь с 12g. |
| 1973г |
СО Apollo Telescope Mount(анг.) |
С помощью этой обсерватории на КС Skylab были сделаны первые наблюдения солнечной переходной области и ультрафиолетового излучения солнечной короны в динамическом режиме. С её помощью были также открыты корональные извержения массы и корональные дыры, которые, как сейчас известно, тесно связаны с солнечным ветром. |
| 1980-1989 |
зонд Solar Maximum Mission (англ.) (SolarMax) |
Зонд был предназначен для наблюдений ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения от солнечных вспышек в период высокой солнечной активности. Однако всего через несколько месяцев после запуска из-за неисправности электроники зонд перешёл в пассивный режим. В 1984 году космическая экспедиция STS-41C на шаттле «Челленджер» устранила неисправность зонда и снова запустила его на орбиту. После этого, до своего входа в атмосферу в июне 1989 года, аппарат получил тысячи снимков солнечной короны. Его измерения помогли также выяснить, что мощность полного излучения Солнца за полтора года наблюдений изменилась только на 0,01 %. |
| 1990-2009 |
зонд Ulysses |
Предназначен для изучения полярных областей Солнца. Сначала он совершил гравитационный манёвр возле Юпитера, чтобы выйти из плоскости эклиптики. По счастливому стечению обстоятельств ему также удалось наблюдать столкновение кометы Шумейкеров — Леви 9 с Юпитером в 1994 году. После того как он вышел на запланированную орбиту, он приступил к наблюдению солнечного ветра и напряжённости магнитного поля на высоких гелиоширотах. Выяснилось, что солнечный ветер на этих широтах имеет скорость примерно 750 км/с, что меньше, чем ожидалось, и что на них существуют большие магнитные поля, рассеивающие галактические космические лучи. |
| 1991-2001 |
«Ёко» («солнечный свет») |
Японский спутник Yohkoh проводил наблюдения излучения Солнца в рентгеновском диапазоне. Полученные им данные помогли учёным идентифицировать несколько разных типов солнечных вспышек и показали, что корона даже вдали от областей максимальной активности намного более динамична, чем принято было считать. «Ёко» функционировал в течение полного солнечного цикла и перешёл в пассивный режим во время солнечного затмения 2001 года, когда он потерял свою ориентировку на Солнце. В 2005 году спутник вошёл в атмосферу и был разрушен. |
| 1994 г |
Wind |
Спутник для изучения солнечного ветра "Wind" - американский научно-исследовательский аппарат, запущен 1 ноября 1994 года. 19.08.2000г совершил 32-й пролет близь Луны и выведен в точку либрации L1. Используя космический аппарат WIND, исследователи смогли сделать редкие прямые наблюдения магнитного перезамыкания, которое позволяет магнитному полю Солнца, проводимому солнечным ветром, связываться с магнитным полем Земли, пропуская при этом плазму и энергию от Солнца в земное пространство, что вызывает полярные сияния и магнитные бури. |
| 1994-2000 |
Коронас-И |
Коронас-И, в период с марта 1994 года по декабрь 2000 года исследовал излучения Солнца во всём диапазоне частот, космических лучей, а также выбросов и вспышечных процессов на Солнце, его колебаний (гелиосейсмологии), исследования динамики солнечных возмущений земной магнитосферы |
| 1995-работает |
SOHO |
Запущенный 2 декабря 1995 года космический аппарат SOHO (SOlar and Heliospheric Observatory) вместо планируемых двух лет работает уже более десяти (2009). SOHO находится в точке Лагранжа между Землёй и Солнцем (то есть в области, где земное и солнечное притяжение уравниваются) и с момента запуска передаёт на Землю изображения Солнца в различных диапазонах длин волн. Кроме своей основной задачи — исследования Солнца — SOHO исследовал большое количество комет, в основном очень малых, которые испаряются по мере своего приближения к Солнцу. |
| 1998-работает |
TRACE |
TRACE (Transition Region and Coronal Explorer) — космический телескоп для наблюдения Солнца с высоким пространственным разрешением в УФ, используется для исследования области перехода между фотосферой и короной Солнца. |
| 2001-2005 |
Коронас-Ф |
КА "Коронас-Ф" (Комплексные ОРбитальные Околоземные Наблюдения Активности Солнца) весом 2260 кг запущен 31 июля 2001 года. Проведение фундаментальных исследований геофизического околоземного пространства, исследования галактических и солнечных лучей (всеволновых наблюдений Солнца), свойств ионосферы Земли и ее взаимодействия с магнитосферой. Срок предполагал работу КА 6 месяцев, а был сведен с орбиты 06.12.2005г. Это второй спутник из серии "Коронас". |
| 2001-2004 |
Genesis |
Для получения прямых данных о составе Солнца. Он вернулся на Землю в 2004 году, однако был повреждён при приземлении из-за неисправности одного из датчиков ускорения и не раскрывшегося вследствие этого парашюта. Несмотря на сильные повреждения, возвращаемый модуль доставил на Землю несколько пригодных для изучения образцов солнечного ветра. |
| 2006 -работает |
СО Hinode (Solar-B) |
22 сентября 2006 года выведена на орбиту Земли, оснащена тремя инструментами: SOT — солнечный оптический телескоп, XRT — рентгеновский телескоп и EIS — изображающий спектрометр ультрафиолетового диапазона. Основной задачей Hinode является исследование активных процессов в солнечной короне и установление их связи со структурой и динамикой магнитного поля Солнца. |
| 2006 -работает |
СО STEREO |
В октябре 2006 года была запущена солнечная обсерватория STEREO. Она состоит из двух идентичных космических аппаратов на таких орбитах, что один из них постепенно отстанет от Земли, а другой обгонит её. Это позволит с их помощью получать стереоизображения Солнца и таких солнечных явлений, как корональные извержения массы. |
| 2009 -???? |
Коронас-Фотон |
В январе 2009 года состоялся запуск российского спутника «Коронас-Фотон» с комплексом космических телескопов «Тесис». В состав обсерватории входит несколько телескопов и спектрогелиографов крайнего ультрафиолетового диапазона, а также коронограф широкого поля зрения, работающий в линии ионизованного гелия HeII 304 A. Целью миссии «Тесис» является исследование наиболее динамичных солнечных процессов (вспышек и корональных выбросов массы), а также круглосуточный мониторинг солнечной активности с целью раннего прогнозирования геомагнитных возмущений. К сожалению кажется потеряли спутник. |
| 3.02.2010г |
SDO (Solar Dynamics Observatory) |
планируется запуск создаваемой в США обсерватории SDO (Solar Dynamic Observatory), аналогичный SOHO. |
Изменен 10.01.2010 года
| «Планетарий» 410,05 мб |
Ресурс позволяет установить на компьютер учителя или учащегося полную версию инновационного учебно-методического комплекса "Планетарий". "Планетарий" - подборка тематических статей - предназначены для использования учителями и учащимися на уроках физики, астрономии или естествознания в 10-11 классах. При установке комплекса рекомендуется использовать только английские буквы в именах папок. |
| Демонстрационные материалы 13,08 мб |
Ресурс представляет собой демонстрационные материалы инновационного учебно-методического комплекса "Планетарий". |
| Планетарий 2,67 мб |
Данный ресурс представляет собой интерактивную модель "Планетарий", которая позволяет изучать звездное небо посредством работы с данной моделью. Для полноценного использования ресурса необходимо установить Java Plug-in |
| Урок |
Тема урока |
Разработки уроков в коллекции ЦОР |
Статистическая графика из ЦОР |
| Урок 18 |
Общие сведения о Солнце |
|
Видимые размеры Солнца с планет Солнечной системы 139,7 кб
Солнце 351,9 кб
Спектр Солнца 552,4 кб
Средняя плотность солнечного вещества 149,3 кб
Спектр солнечного света с фраунгоферовыми линиями поглощения 143,4 кб
Солнце в различных диапазонах 416,9 кб
Солнечные пятна 439,1 кб
Солнечные протуберанцы 337,9 кб
Факельные поля 159,3 кб
Движение Солнечных пятен 281,3 кб
Размеры солнечных пятен часто превышают размеры Земли 164,4 кб
Химический состав Солнца 126,8 кб
Солнечный спектр с низкой (внизу) и высокой (вверху) дисперсией 271,1 кб
Гелиосейсмология 157,6 кб
Колебания поверхности Солнца 185,1 кб |
